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          降低開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)損耗的原理

          作者: 時(shí)間:2012-02-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          隨著頻率的升高,MOSFET的另一顯著功耗與MOSFET打開(kāi)、關(guān)閉的過(guò)渡時(shí)間有關(guān)。圖3顯示MOSFET導(dǎo)通、斷開(kāi)時(shí)的漏源電壓、漏極電流和MOSFET。在功率曲線下方,轉(zhuǎn)換期間的功耗比MOSFET導(dǎo)通時(shí)的大。由此可見(jiàn),功率損耗主要發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),而不是MOSFET開(kāi)通時(shí)。

          MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷需要一定的過(guò)渡時(shí)間,以對(duì)溝道充電,產(chǎn)生電流或?qū)系婪烹姡P(guān)斷電流。MOSFET參數(shù)表中,這些參數(shù)稱為導(dǎo)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間。對(duì)指定系列中,低導(dǎo)通電阻MOSFET對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟、關(guān)斷時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)。當(dāng)MOSFET開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí),溝道同時(shí)加有漏極到源極的電壓和導(dǎo)通電流,其乘積等于功率損耗。三個(gè)基本功率是:

          P=I*E

          P=I2*R

          P=E2/R

          對(duì)上述公式積分得到功耗,可以對(duì)不同的開(kāi)關(guān)頻率下的功率損耗進(jìn)行評(píng)估。

          MOSFET的開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間是常數(shù),當(dāng)占空比不變而開(kāi)關(guān)頻率升高時(shí)(圖5),狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間相應(yīng)增加,導(dǎo)致總功耗增加。例如,考慮一個(gè)SMPS工作在50%占空比500kHz,如果開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間各為0.1s,那么導(dǎo)通時(shí)間和斷開(kāi)時(shí)間各為0.4s。如果開(kāi)關(guān)頻率提高到1MHz,開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間仍為0.1s,導(dǎo)通時(shí)間和斷開(kāi)時(shí)間則為0.15s。這樣,用于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間比實(shí)際導(dǎo)通、斷開(kāi)的時(shí)間還要長(zhǎng)。

          可以用一階近似更好地估計(jì)MOSFET的功耗,MOSFET柵極的充放電功耗的一階近似公式是:

          EGATE=QGATE×VGS,

          QGATE是柵極電荷,VGS是柵源電壓。

          在升壓變換器中,從開(kāi)啟到關(guān)閉、從關(guān)閉到開(kāi)啟過(guò)程中產(chǎn)生的功耗可以近似為:

          ET=(abs[VOUT-VIN]×ISW×t)/2

          其中ISW是通過(guò)MOSFET的平均電流(典型值為0.5IPK),t是MOSFET參數(shù)表給出的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間。

          MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)的功耗(傳導(dǎo)損耗)可近似為:

          ECON=(ISW)2×RON×tON,

          其中RON是參數(shù)表中給出的導(dǎo)通電阻,tON是完全導(dǎo)通時(shí)間(tON=1/2f,假設(shè)最壞情況50%占空比)。

          考慮一個(gè)典型的A廠商的MOSFET:

          RDSON=69mW

          QGATE=3.25nC

          tRising=9ns

          tFalling=12ns

          一個(gè)升壓變換器參數(shù)如下:

          VIN=5V

          VOUT=12V

          ISW=0.5A

          VGS=4.5V

          100kHz開(kāi)關(guān)頻率下每周期的功率損耗如下:

          EGATE=3.25nC×4.5V=14.6nJ

          ET(rising)=((12V-5V)×0.5A×9ns)/2=17.75nJ

          ET(falling)=((12V-5V)×0.5A×12ns)/2=21nJ

          ECON=(0.5)2×69mW×1/(2×100kHz)=86.25nJ.

          從結(jié)果可以看到,100kHz時(shí)導(dǎo)通電阻的損耗占主要部分,但在1MHz時(shí)結(jié)果完全不同。柵極和開(kāi)啟關(guān)閉的轉(zhuǎn)換損耗保持不變,每周期的傳導(dǎo)損耗以十分之一的倍率下降到8.625nJ,從每周期的主要功耗轉(zhuǎn)為最小項(xiàng)。每周期損耗在62nJ,頻率升高10倍,總MOSFET功率損耗增加了4.4倍。

          另外一款MOSFET:

          RDSON=300mW

          QGATE=0.76nC

          TRising=7ns

          TFalling=2.5ns.

          SMPS的工作參數(shù)如下:



          評(píng)論


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